CN103527162A - 用于石油稠油开采的蒸汽发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其结构包括圆柱形筒体、位于筒体内沿气体流动方向依次同轴设置的双环旋流器、火焰筒、水膜生成器和蒸发转化器，设置有燃气进气接管和压力空气进气接管的端盖固定在筒体进气端，压力空气经固置在火焰筒进口处的双环旋流器分成内外涡流，分别进入火焰筒内外空间，进入火焰筒内的压力空气与燃气混合燃烧形成火焰流，进入火焰筒与筒体之间环形流道内的压力空气一部分由火焰筒壁面上的通流孔进入到火焰流内，大部分由出口流出；水膜生成器由设置在筒体内壁上至少一圈压力水喷嘴构成；蒸发转化器为内腔呈先渐缩后渐扩的一段流道。本发明具有结构合理、可靠性强、寿命长、节能高效的特点。

Description

用于石油稠油开采的蒸汽发生器

技术领域

本发明涉及石油开采中的稠油开采技术，更为具体地说，是涉及一种用于石油稠油开采的蒸汽发生器。

背景技术

石油开采中的稠油开采，目前主要是热开采，热开采的方式主要有蒸汽吞吐和蒸汽驱动两种方法。这两种方法均需在地面建设蒸汽站锅炉，通过管线将高温高压蒸汽输入井下，将地下高粘度的石油采出。这两种方法的主要缺点有：

1.热损耗大。它的热损耗主要有：蒸汽站锅炉和烟囱排放产生的热损失约占20%，蒸汽站至井口产生的热损失约占3%-20%（平均13%），井口至油层产生的热损失约占大于20%(井深2000英尺/609米)。为了减少环境污染和井口至油层的热损耗，美国石油工业规定在井深超过2500英尺(762米)时就不容许使用以上方式。但是，全球95％的稠油储藏都在2500英尺以下的地下。因此传统的蒸汽吞吐和蒸汽驱动方法对稠油的开采有着很大的局限性。

2.开采周期长。蒸汽吞吐法的一个闷井周期通常在2～7天左右，整个开采周期在15天左右，且不能连续生产，需要反复地注汽闷井，生产效率不高；蒸汽驱动虽然可以进行连续开采，但是注入蒸汽的周期仍较长。

3.整个设备的可移动性差。蒸汽站锅炉的安装，需在大地上建造安装基础，蒸汽站锅炉一旦建立起来是不能移动的，因此难以适应油井分散作业的要求。

4.环境污染严重。蒸汽站锅炉排放的烟气，含有大量的硫化物、氮氧化物、颗粒物等污染物，不仅会带来大量的热损失，且对环境污染较大。

为了克服以上的不足，近年来开发出了很多新的热采技术，如混合气热采技术：直接将燃烧的烟气和水蒸汽一起注入井下，能最大化的利用燃烧生成的热，且对环境几乎没有污染。此外，水平井环道加热蒸汽驱（HASD）、蒸汽辅助重力泄油（SAGD）、驱泄混合（SD+SAGD）、多底水平井吞吐+气驱（HP+SD）、多元复合吞吐技术HDCS（水平井Horizontal well，油溶性降黏剂Dissolver，二氧化碳Carbon dioxide和蒸汽Steam）等基于新开采机理的热采技术，也可有效降低稠油开采难度，提高稠油开采效果，但不同程度低存在如工艺操作复杂，换热损失与蒸汽输送热损失等不足，直接导致了稠油开采能力（采收率低于40%）和效率低下。

近些年来，本领域的科技工作者除了从热采系统技术方向开发新的热采技术外，还十分注重实施这些热采系统技术的装置研究开发，且取得了一些用于石油稠油热采的蒸汽发生装置技术成果。

公开号为CH101067372A的专利文献公开了一种用于石油热采注气机的高压混合气发生装置，该装置的燃烧腔室为隔热衬套水冷结构。由于隔热衬套直接受高温火焰的冲刷，材料性能需十分高，才能保证在2000℃左右的温度水平下进行正常燃烧，且衬套外有冷却水，使得热应力水平十分高，对设备的寿命有着较大的影响，冷却水在高温下还容易结垢，堵塞水的通道，容易致使设备失效。该设备的雾化区采用小孔结构，流场阻力大，流动损失偏高。

公开号为CH102268984A的专利文献公开了一种复合热载体发生器的雾化装置，该装置的燃烧室实质上仍为锅炉燃烧方式，其燃烧室头部采用隔热衬套和在衬套之间通冷却水的方式进行冷却，设备工作时热应力大，影响设备使用寿命。另外，其冷却方式决定了火焰温度不能太高，燃烧反应速度也受到限制，即其热效率不会太高。该装置对燃油雾化器进行了改进，但结构过于复杂。

发明内容

针对现有技术的石油稠油热采蒸汽发生装置存在的不足，本发明的目的旨在提供一种结构合理、可靠性强、寿命长、节能高效的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，以实现在目前的稠油热采技术基础上提高石油稠油的采出率，节约能源。

本发明的上述目的，可通过具有下述技术方案的用于石油稠油开采的蒸汽发生器来实现。

本发明提供的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，包括一个作为蒸汽发生器壳体的圆柱形筒体，设计有燃气进气接管和压力空气进气接管的端盖固置在筒体进气端，在筒体内沿气体流动方向依次同轴设置有双环旋流器、火焰筒、水膜生成器和蒸发转化器，所述双环旋流器的内旋流器和外旋流器分别设置在悬置于筒体内的火焰筒进口内外,设置在端盖上的燃气进气接管出口与火焰筒内腔连接，设置在端盖上的压力空气进气接管出口与端盖和双环旋流器之间的压力空气分配室连接，压力空气经内外旋流器分别进入火焰筒内外空间，火焰筒壁上设计有供进入火焰筒与筒体之间环形流道内的压力空气进入到火焰筒内的通流孔；位于火焰筒下游的所述水膜生成器由设置在筒体内壁上至少一圈的压力水喷嘴构成，压力水喷嘴以出水方向在筒体内壁形成保护水膜进行设置；位于水膜生成器下游的蒸发转化器，为内腔呈先渐缩后渐扩的一段流道，通过流体收缩膨胀实现水液汽相转化。

在本发明的上述技术方案中，所述燃气进气接管优先考虑设置在端盖中央，其出口通过内旋流器内涡壳与火焰筒内腔连接；所述压力空气进气接管至少为两个，最好均匀设置在环绕燃气进气接管的圆周上。

在本发明的上述技术方案中，所述火焰筒优先考虑设计成节筒结构，可由至少三个筒节构成，即可由作为火焰筒头部的筒节、作为火焰筒主干部不少于1个的筒节和作为火焰筒尾部的筒节构成，在后的筒节通过其含接口含接于前一个筒节外壁面上。火焰筒头部为一漏斗形筒节，小端连接燃气进气接管出口与内旋流器内涡壁，大端与后段筒节联接；火焰筒头部包围的区域为主燃区，燃气在此区域内与经内旋流器进入主燃区的内层涡流空气旋转混合，点燃并产生连续的火焰。作为火焰筒主干部的筒节为设计有含接口锥筒节，作为火焰筒尾部的筒节为设计有含接口直筒节。火焰筒头部筒节后面的数段筒节内壁围成的波浪形腔体为燃烧掺混区，进入火焰筒内的内层涡流空气不断参加燃烧以维持燃烧强度，并通过气流涡旋的作用将火焰相对稳定的维持在该区域中心；火焰筒的每个筒节壁面上设计有至少一环的通流孔，外层涡流通过这些通流孔进入火焰筒内补充空气，经通流孔进入的空气由火焰筒特殊的筒壁结构分配与引导形成冷却流层，对火焰筒壁进行冷却并加入燃烧。

在本发明的上述技术方案中，所述水膜生成器优先考虑设计成由环形隔板、通过环形隔板设置在筒体内的筒套和两圈压力水喷嘴构成，两圈压力水喷嘴分别位于由筒体、筒套和环形隔板构成的开口相反的两环形槽内。所述环形隔板最好垂直焊接于筒套中段，以形成开口相反结构相同的两环形槽。位于开口相反结构相同两环形槽内的压力水喷嘴，最好以切向喷出压力水进行设置。喷嘴方向沿切向，可有利于使高压水流进入环形槽后紧贴筒体内壁面高速旋转，在环槽内形成的高速旋转且具有一定厚度的旋转水膜，由两环形槽开口分别向前后旋流出，沿筒体内壁面形成连续的旋转水膜。旋转水膜在整个水膜保护燃烧段区域内包裹住火焰筒喷出的火焰燃混流，隔绝轴心高温区域与筒体壁面直接接触。朝前旋流出的旋转水膜贴附筒体内壁向前延伸到火焰筒出口位置，由于水膜向前的速度分量急速减小，在重力和气流冲击作用下下坠，一部分水以蒸汽形态混入沿轴心的高温火焰混合流内，另一部分水以较松散的水层覆盖在向前旋进的水膜上，随轴心气流不断经过中心通道流下，在中心通道下方继续覆盖在向后的水膜上，最终进入蒸发段。向后的旋转水膜一直延伸到构成蒸发段的蒸发转化器渐缩段入口，最后紧贴蒸发转化器渐缩段内壁面旋转着向蒸发转化器喉部中心通道会聚，由蒸发转化器渐扩段减速扩压转化蒸发为蒸汽。

在本发明的上述技术方案中，所述蒸发转化器优先考虑与圆柱形筒体成整体设计，作为蒸汽发生器壳体的一段。蒸发转化器的渐扩段后接一段直筒段，以稳定蒸汽流。蒸发转化器内壁围成的先缩后扩的流道，与其后连接的筒体直筒段流道组成本发明蒸汽发生器的蒸发段。在蒸发段，水膜生成器生成的水膜在蒸发转化器渐缩段缩口处收拢会聚，与中心的高速高温气流混合加速进入蒸发转化器喉部，再由渐扩段喇叭口减速扩压喷出。水膜在此过程中被打破雾化，吸收高温烟气的热量迅速蒸发，形成高温高压烟气蒸汽混合流，由蒸汽发生器的圆柱形筒体出口喷出。

本发明的蒸汽发生器，整体上沿气流方向可分为由双环旋流器和火焰筒形成燃气混合燃烧段、由水膜生成器形成的水膜保护燃烧段和由蒸发转化器形成的蒸发段。其中燃气混合燃烧段的工作原理为：燃气由位于端盖中央的燃气进气接管直接进入火焰筒头部内，压力空气由设置在燃气进气管周围的至少两个的压力空气进气接管进入端盖和双环旋流器之间的压力空气分配室，由双环旋流器的内外旋流器分为内层涡流和外层涡流，内层涡流由火焰筒头部进入，与由燃气进气接管喷嘴喷出的燃气流旋转混合燃烧，形成连续的火焰燃气混合流；外层涡流进入火焰筒与筒体之间的环形空腔，在旋转流出的过程中，小部分由火焰筒壁上的通流孔进入火焰内加强燃烧，大部分在火焰筒出口外形成涡流气膜包围住由火焰筒喷出的火焰燃气混合流，在对火焰筒冷却降温，降低由火焰筒壁面经筒体热损失的同时被加热，以利于加入助燃。

本发明提供的蒸汽发生器对大气环境没有污染，技术理念极为先进，在石油稠油采油过程中对油层的加温加压效果极好，不但消除了以往同功能产品的不足，更重要的是可安置于井下，蒸汽热量压力直接作用于油层，彻底消除了蒸汽输送过程的热损耗，大大促进了石油稠油热采技术的进步。设备以其整体热效率高、蒸汽注入时间短等优势，达到稠油采出量高、品质好的效果。

本发明的用于石油稠油开采的蒸汽发生器与现有技术的蒸汽发生器相比，概括起来具有以下十分突出优点和技术效果。

1.由于燃烧室采用了类似航空发动机的火焰筒结构，燃烧强度大，燃烧反应速度快，燃烧效率高，从而缩小了同等功率下的设备体积，使得该装置高效运行。同时火焰筒采用了气膜冷却技术，可对燃烧室火焰筒进行可靠的保护，提高设备的整体寿命。

2.进水区采用水膜贴壁方式进水，可以有效防止水垢堵塞设备影响设备正常工作甚至报废，一方面可以对外筒进行降温保护，另一方面水膜吸收热量用于产生蒸汽。

3.雾化区采收缩扩张结构设计，在不堵塞气流通道的同时，使水膜充分破碎成小水滴，可以形成较好的雾化条件，方便与燃气换热生成水蒸汽。

4.设备结构简单，体积紧凑，可以方便井下工作的需求。

附图说明

图1是本发明的蒸汽发生器的结构示意图。

附图中的图示标号标识对象分别为：1-燃气进气接管；2-压力空气进气接管；3-端盖；4-圆柱形筒体；5-双环旋流器；6-火焰筒；7-压力水喷嘴；8-套筒；9-蒸发转化器。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个实施例，并通过实施例对本发明作进一步的描述，以便于人们对本发明的理解。本发明的具体结构形式不限于下述实施例所描述的结构形式，本领域的技术人员可根据本发明揭示的思想在不付出创造性地劳动的条件下，还可设计出其他的具体实施方式，但这些根据本发明内容设计出的具体实施方式应仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例用于石油稠油开采的蒸汽发生器的结构如附图1所示，包括一个作为蒸汽发生器壳体的圆柱形筒体4，设计有燃气进气接管1和压力空气进气接管2的端盖3固置在圆柱形筒体4进气端，在筒体内沿气体流动方向依次同轴设置有双环旋流器5、火焰筒6、水膜生成器和蒸发转化器9。所述燃气进气接管1设置在端盖3中央，所述压力空气进气接管2设计有4个，均匀地分布在环绕燃气进气接管的圆周上。所述旋流器为由内旋流器和外旋流器构成的双环旋流器。所述火焰筒6由作为火焰筒头部的漏斗形筒节、作为火焰筒主干部设计有含接口的3个锥形筒节和作为火焰筒尾部设计有含接口的直筒形筒节构成，在后的筒节通过其含接口套置焊接于前一个筒节外壁面上。火焰筒悬置于筒体内。双环旋流器的内旋流器和外旋流器分别设置在火焰筒头部筒节进口内外,设置在端盖上的燃气进气接管1出口与火焰筒头部内腔连接，设置在端盖上的压力空气进气接管2出口与端盖和双环旋流器之间的压力空气分配室连接，压力空气经内外旋流器分别进入火焰筒内外空间，进入火焰筒与筒体之间环形流道内的压力空气小部分由火焰筒壁上的通流孔进入到火焰筒内；位于火焰筒下游的所述水膜生成器由环形隔板、通过环形隔板设置在筒体内的筒套8和分别位于由筒体、筒套和环形隔板构成的开口相反结构相同两环形槽内的两圈压力水喷嘴7构成，两圈压力水喷嘴以使喷出压力水沿切向设置。位于水膜生成器下游的蒸发转化器，为内腔呈先渐缩后渐扩的一段流道9，且蒸发转化器的渐缩段长度小于渐扩段长度，蒸发转化器与圆柱形筒体成整体设计，为蒸汽发生器壳体的一段，蒸发转化器的渐扩段后接一段直筒段。

本发明的蒸汽发生器工作运行过程：先将压力空气通过压力空气进气接管2充入端盖3与双环旋流器5之间的压力空气分配室内，经双环旋流器5分为内外两层涡流。内层涡流直接进入火焰筒6头部主燃区，与经燃气进气接管1进入的压力天然气在火焰筒头部内混合点燃。外层涡流大部分空气经火焰筒外侧进入水膜保护燃烧段，小部分经过火焰筒壁面的通流孔进入火焰筒内部。在压力空气进入的同时，压力水喷嘴7打开向环形槽内注入高速水流，在水膜保护燃烧段的中心火焰混合气流与筒体4之间形成旋转水膜。火焰筒喷出的火焰与高温气体在旋转水膜的包裹下延伸到蒸发段入口。旋转水膜到达蒸发转化器9的缩口处，往中心通道会聚，再随高速高温的中心气流冲入蒸发转化器的喉部，进一步提升混合流体的速度和压力，最后从渐扩段喇叭口喷出，水被完全雾化并吸收热量蒸发。

Claims (10)

1.一种用于石油稠油开采的蒸汽发生器，包括一个作为蒸汽发生器壳体的圆柱形筒体（4），设计有燃气进气接管和压力空气进气接管的端盖（3）固置在筒体进气端，其特征在于，在筒体内沿气体流动方向依次同轴设置有双环旋流器（5）、火焰筒（6）、水膜生成器和蒸发转化器，所述双环旋流器的内旋流器和外旋流器分别设置在悬置于筒体内的火焰筒进口内外,设置在端盖上的燃气进气接管（1）出口与火焰筒内腔连接，设置在端盖上的压力空气进气接管出口与端盖和双环旋流器之间的压力空气分配室连接，压力空气经内外旋流器分别进入火焰筒内外空间，火焰筒壁上设计有供进入火焰筒与筒体之间环形流道内的压力空气进入到火焰筒内的通流孔；位于火焰筒下游的所述水膜生成器由设置在筒体内壁上至少一圈压力水喷嘴构成，压力水喷嘴以出水方向在筒体内壁形成保护水膜设置；位于水膜生成器下游的蒸发转化器，为内腔呈先渐缩后渐扩的一段流道（9）。

2.根据权利要求1所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述燃气进气接管（1）设置在端盖（3）中央，其出口通过内旋流器内涡壳与火焰筒内腔连接。

3.根据权利要求2所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述压力空气进气接管至少为两个，分布在环绕燃气进气接管的圆周上。

4.根据权利要求1所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述火焰筒为节筒结构，由至少三个筒节构成，在后的筒节通过其含接口含接于前一个筒节外壁面上。

5.根据权利要求4所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，构成火焰筒的筒节壁面上设计有不少于一环的通流孔。

6.根据权利要求1至5之一所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述水膜生成器包括环形隔板、通过环形隔板设置在筒体内的筒套（8）和两圈压力水喷嘴，两圈压力水喷嘴分别位于由筒体、筒套和环形隔板构成的开口相反两环形槽内。

7.根据权利要求6所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述环形隔板垂直接于筒套中段形成开口相反结构相同的两环形槽。

8.根据权利要求7所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，位于环形槽内的压力水喷嘴以切向喷出压力水设置。

9.根据权利要求1至5之一所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，所述蒸发转化器（9）与圆柱形筒体成整体设计，为蒸汽发生器壳体的一段。

10.根据权利要求9所述的用于石油稠油开采的蒸汽发生器，其特征在于，在蒸发转化器（9）的渐扩段后接一段直筒段。

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